物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用——需求、現(xiàn)狀、問(wèn)題與突破展望

陳寧生 丁海濤

①研究員，②碩士，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用
——需求、現(xiàn)狀、問(wèn)題與突破展望

陳寧生①丁海濤②

①研究員，②碩士，中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

山地災(zāi)害；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；監(jiān)測(cè)預(yù)警

中國(guó)是世界山地分布最廣大的國(guó)家，山地區(qū)域的山洪、泥石流、滑坡等山地災(zāi)害十分發(fā)育。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的重要應(yīng)用領(lǐng)域。從山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)際出發(fā)，闡述了山地災(zāi)害對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要的迫切性，介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題和需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

中國(guó)是世界上山地分布最廣大的國(guó)家。山地是中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域之一，它集中了全國(guó)大部分的水電、礦產(chǎn)、森林、水等多種資源，以及多數(shù)的國(guó)家級(jí)旅游風(fēng)景名勝區(qū)，具有不可替代的生態(tài)功能和戰(zhàn)略地位。然而，山地區(qū)域的山洪、泥石流、滑坡等山地災(zāi)害十分發(fā)育。我國(guó)平均每年發(fā)生數(shù)千至上萬(wàn)起山地災(zāi)害，特別是汶川地震后，地震災(zāi)區(qū)的山洪、泥石流、滑坡等次生災(zāi)害更嚴(yán)重。采取遠(yuǎn)程的地質(zhì)災(zāi)害感知、監(jiān)控、預(yù)警、調(diào)度處理，可以避免人員接近危險(xiǎn)區(qū)域和傷亡事故，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的信息化和智能化。所以山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

1 山地災(zāi)害防治迫切需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

我國(guó)山地災(zāi)害發(fā)育頻繁，監(jiān)測(cè)預(yù)警一直都是防災(zāi)減災(zāi)的有效手段。特別是2010年大面積山洪泥石流滑坡等災(zāi)害的發(fā)生凸顯了國(guó)家需求的緊迫性和長(zhǎng)期性。2008年6月－2009年9月，地震后的次生地質(zhì)災(zāi)害造成上百人死亡，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億元；2010年有2892人死于地質(zhì)災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)62.6億元。以都江堰龍門(mén)山地區(qū)為例，龍門(mén)山區(qū)小流域多雨區(qū)，災(zāi)害特別突出。汶川地震受災(zāi)區(qū)達(dá)10萬(wàn)km2，松散固體物質(zhì)57億t。災(zāi)后龍門(mén)山地震帶松散固體物質(zhì)依然豐富，災(zāi)害活動(dòng)周期長(zhǎng)。龍門(mén)山區(qū)地震次生泥石流滑坡災(zāi)害將在5～10年內(nèi)持續(xù)頻發(fā)，其活動(dòng)期可超過(guò)20年。工程措施投資高、周期長(zhǎng)，在短期內(nèi)僅能解決部分大規(guī)模的防災(zāi)減災(zāi)問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)運(yùn)用在山地災(zāi)害防治中，具體地說(shuō)，就是根據(jù)山地災(zāi)害的特點(diǎn)把感應(yīng)器嵌入和把裝備安裝布置到合適的地點(diǎn)，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級(jí)強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群，能夠整合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，人類(lèi)可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理并感知山地災(zāi)害，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，改善人與自然間的關(guān)系。以龍門(mén)山為例，龍門(mén)山地震帶多雨區(qū)小流域，高頻率、大規(guī)模、寬級(jí)配、強(qiáng)動(dòng)力的災(zāi)害性泥石流和滑坡時(shí)有發(fā)生，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警是目前最經(jīng)濟(jì)有效的減災(zāi)手段，特別是可以避免大量的人員傷亡。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用具有明確而迫切的需求。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中應(yīng)用的現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用是在行業(yè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，所以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用現(xiàn)狀受到災(zāi)害領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的影響。如在四川省，目前完成了《全省的山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》，提出泥石流滑坡等災(zāi)害嚴(yán)重區(qū)域的防治規(guī)劃。特別是在汶川地震后，完成了汶川地震重災(zāi)區(qū)和極重災(zāi)區(qū)13萬(wàn)km2的多尺度防治規(guī)劃與實(shí)施。為了盡可能早地感知山地災(zāi)害的發(fā)生，在汶川地震災(zāi)區(qū)等許多地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生的地方進(jìn)行了大量的災(zāi)害監(jiān)測(cè)示范工作。在全省廣大山區(qū)進(jìn)行了大區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)預(yù)報(bào)工作，時(shí)間尺度為12～24 h，空間分辨率達(dá)到3 km×3 km，從2005年開(kāi)始在中央氣象臺(tái)投入運(yùn)行。在災(zāi)害信息傳輸方面，完成了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)，研制了無(wú)線路由器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線Mesh組網(wǎng)，與Internet互聯(lián)；研制無(wú)線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)控制器，提供大規(guī)模無(wú)線自組織組網(wǎng)理論基礎(chǔ)和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)；完成了IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)。這些工作奠定了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于山地災(zāi)害的基礎(chǔ)。

山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括前端傳感器(包括雨量、水位等)，前端數(shù)據(jù)采集處理器，通信模塊(包括有線和無(wú)線)和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布軟硬件系統(tǒng)。與國(guó)外的先進(jìn)水平相比，中國(guó)在山地災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方面起步較晚，在智能傳感器研制、通信傳輸、監(jiān)測(cè)預(yù)警模型建立和信息系統(tǒng)研制及相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面還存在差距。前端監(jiān)測(cè)傳感器種類(lèi)較少，大多數(shù)山地災(zāi)害主要通過(guò)監(jiān)測(cè)降水來(lái)進(jìn)行預(yù)警，針對(duì)各個(gè)災(zāi)害種類(lèi)傳感器研發(fā)力度還不夠。目前中國(guó)通信主要采用無(wú)線短信(GSM)、ZIGBEE、無(wú)線公網(wǎng)(GPRS/CDMA)和北斗衛(wèi)星通信等方式。目前已在三峽庫(kù)區(qū)和四川汶川、都江堰等地震災(zāi)區(qū)開(kāi)展了無(wú)線寬帶通信傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究。

地質(zhì)災(zāi)害的防治工作已經(jīng)引起了各級(jí)政府的重視。近年國(guó)務(wù)院先后頒布了《山洪地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的決定》。文件要求各地區(qū)加快構(gòu)建國(guó)土、氣象、水利等部門(mén)聯(lián)合的監(jiān)測(cè)預(yù)警信息共享平臺(tái)；建立預(yù)報(bào)會(huì)商和預(yù)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制；對(duì)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、學(xué)校、醫(yī)院及其他企事業(yè)單位等人口密集區(qū)上游易發(fā)生滑坡、山洪、泥石流的高山峽谷地帶，要加密部署氣象、水文、地質(zhì)災(zāi)害等專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用是未來(lái)非常有前景的發(fā)展方向。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用存在的主要問(wèn)題包括：

(1) 山地災(zāi)害小流域滑坡泥石流運(yùn)動(dòng)時(shí)間短，對(duì)滑坡泥石流的早期實(shí)施監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)還處于探索階段，如何提前預(yù)警給出足夠的逃生時(shí)間成為關(guān)鍵問(wèn)題。

(2) 山地災(zāi)害小流域的植被、巖土特征各異，區(qū)域性小比例尺的山洪臨界雨量指標(biāo)研究有所發(fā)展，但單溝泥石流滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警降雨閾值尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，小流域監(jiān)測(cè)預(yù)警降雨閾值如何科學(xué)準(zhǔn)確確定的問(wèn)題有待解決。

(3) 山地災(zāi)害多發(fā)區(qū)，氣候復(fù)雜、地形多樣。已有泥石流次聲警報(bào)和滑坡震動(dòng)警報(bào)等監(jiān)測(cè)設(shè)備，其定向定位等問(wèn)題限制了技術(shù)的推廣應(yīng)用。如何提升現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性與有效性，集成創(chuàng)新科學(xué)可靠的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系尚需研究。

(4) 現(xiàn)有單一通訊技術(shù)無(wú)法保障傳輸?shù)目煽啃?，特別是如何在極端環(huán)境災(zāi)害條件下確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸還是難題。

(5) 監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)多樣(2～5級(jí))。如中國(guó)早期的山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警采用4級(jí)預(yù)警，現(xiàn)在采用2級(jí)，即準(zhǔn)備撤離和撤離，而泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警還常采用5級(jí)預(yù)警。那么針對(duì)山地災(zāi)害小流域特征，如何確定可操作性的預(yù)警級(jí)別和相應(yīng)指標(biāo)有待進(jìn)一步研究。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的應(yīng)用中需要突破的關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 基于多雨區(qū)降水特征和InSAR技術(shù)的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

基于降雨特征和InSAR技術(shù)，研究地震帶山地特殊氣象、地形地貌條件下，滑坡泥石流災(zāi)害早期識(shí)別與預(yù)警技術(shù)，分析區(qū)域地震活動(dòng)和干濕交替等極端災(zāi)害事件，建立動(dòng)態(tài)的山地災(zāi)害早期預(yù)測(cè)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)山地災(zāi)害可能發(fā)生的區(qū)域。

(2) 研究小流域?qū)捈?jí)配礫石土孔壓、含水和位移變化規(guī)律與山洪泥石流滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警原理和技術(shù)。

針對(duì)小流域?qū)捈?jí)配礫石土孔壓和含水變化規(guī)律，開(kāi)發(fā)基于山洪泥石流啟動(dòng)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的預(yù)警技術(shù)；針對(duì)多雨區(qū)礫石土質(zhì)邊坡深部位移和地表位移規(guī)律，開(kāi)發(fā)基于位移閾值和滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程規(guī)律的預(yù)警技術(shù)。

(3) 極端環(huán)境災(zāi)害背景下的傳感與匯聚通信保障和節(jié)能技術(shù)。

研究強(qiáng)地震擾動(dòng)土體轉(zhuǎn)化為泥石流的機(jī)理與含水和孔壓預(yù)警閾值，研制高可靠性、低成本孔隙水壓力和含水量傳感技術(shù)與設(shè)備；研究高可靠的網(wǎng)絡(luò)中繼傳輸技術(shù)，傳感網(wǎng)節(jié)能組網(wǎng)傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成技術(shù)等。

(4) 山洪泥石流滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警綜合平臺(tái)建立。

集成多雨區(qū)山洪泥石流滑坡形成各階段監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值，研發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與早期識(shí)別相結(jié)合的山洪泥石流滑坡綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警體系(圖1)。

圖1 基于早期預(yù)測(cè)和泥石流滑坡形成過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的預(yù)警體系圖

(5) 技術(shù)集成與山洪泥石流滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警示范應(yīng)用。

加強(qiáng)山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成和監(jiān)測(cè)預(yù)警示范應(yīng)用研究。通過(guò)集成傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等，將應(yīng)用基礎(chǔ)研究技術(shù)開(kāi)發(fā)與示范相結(jié)合、新技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)集成組裝相結(jié)合、試驗(yàn)示范與推廣應(yīng)用相結(jié)合，選擇典型流域進(jìn)行山洪泥石流滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)示范應(yīng)用，并建立相應(yīng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)(圖2)。

圖2 監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)總體框架圖

(2014年8月1日收稿)

The application of the internet of things technology in mountainous hazards monitoring and warning: demand, current situation, problem and breakthrough prospect

CHEN Ning-sheng①, DING Hai-tao②
①Professor, ②Master, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, China

China is one of the most widely distributed states of mountainous region in the world. Mountain hazards of the region such as flash flood, debris flow, landslide are very developed. With the development of the internet of things technology, mountain hazards monitoring and warning become an important application field of the internet of things technology. In this paper, based on the practice of mountain hazards monitoring and early warning, the urgency of the mountain hazards demand is expounded for the internet of things technology. The present situation of the internet of things technology is introduced in mountain hazards monitoring and early warning applications. At the same time, the authors proposes that the internet of things technology apply to mountain hazards monitoring and early warning need to solve problems and need to breakthrough key technologies.

mountain hazard, internet of things technology, monitoring and early warning

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.006

(編輯：段艷芳)